基于分布式光纖傳感的隔熱層脫粘識(shí)別研究

單一男，武湛君，徐新生，費(fèi)繼友

(1.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；2.大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 引言

基于背向瑞利散射的分布式光纖傳感器是近年來發(fā)展迅速且具代表性的全分布式光纖傳感器之一。由于它測(cè)點(diǎn)連續(xù)且數(shù)量眾多，測(cè)點(diǎn)數(shù)量不受激光帶寬及應(yīng)變量程的限制，能夠以高空間分辨率進(jìn)行較高精度的應(yīng)變/溫度測(cè)量，同時(shí)具有空間尺寸小、柔性好等特點(diǎn)，較適用于布線空間有限或曲面結(jié)構(gòu)，或結(jié)構(gòu)局部需要進(jìn)行高密度測(cè)量的情況，因此，這種基于背向瑞利散射的分布式光纖傳感器適用于測(cè)量在三維空間呈連續(xù)性分布的物理場(chǎng)[1]。

目前，低密度、硬質(zhì)的高效率隔熱材料已廣泛應(yīng)用到航天運(yùn)載器、軌道交通車輛等重大運(yùn)載裝備中[2-3]。隔熱材料多采用泡沫噴涂和預(yù)制板人工粘貼等施工工藝，因此，在結(jié)構(gòu)服役期間由于受機(jī)械載荷和溫度載荷影響而產(chǎn)生的絕熱層材料和基體產(chǎn)生的脫粘斷裂現(xiàn)象，是絕熱層損傷的主要模式。絕熱層損傷使結(jié)構(gòu)局部抵御熱流的能力下降，易引發(fā)重大的安全隱患。利用無損檢測(cè)方法與技術(shù)能夠有效地識(shí)別絕熱層脫粘，其主要包括低頻檢測(cè)[4]、超聲波檢測(cè)[5]、超聲導(dǎo)波檢測(cè)[6]、微波檢測(cè)[7]、X線檢測(cè)[8]、激光全息照相檢測(cè)和散斑錯(cuò)位成像[9]等，但是以上無損檢測(cè)技術(shù)都需要結(jié)構(gòu)處于離線狀態(tài)，且檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)。

本文以隔熱泡沫膠接鋁合金結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，利用基于背向瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)獲得的高密度應(yīng)變信息識(shí)別脫粘缺陷。利用布設(shè)在金屬懸臂梁結(jié)構(gòu)的光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)，并考慮光纖和隔熱泡沫相對(duì)位置、應(yīng)變水平及隔熱泡沫脫粘面積等影響因素，對(duì)脫粘缺陷的識(shí)別效果進(jìn)行研究，并利用隔熱泡沫膠接鋁合金懸臂板彎曲試驗(yàn)對(duì)結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。

1 測(cè)量原理

基于背向瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)使用光頻域反射原理對(duì)分布式光纖傳感器進(jìn)行解調(diào)?；诠饫w的測(cè)量系統(tǒng)一般包含一個(gè)主動(dòng)監(jiān)測(cè)單元，其作用是與被動(dòng)式測(cè)量的光纖連接，并通過調(diào)頻激光器或?qū)拵Ч庠聪蚬饫w發(fā)射激光。光纖中傳播激光的某些屬性可以處理為光纖上所承受應(yīng)變/溫度的函數(shù)。光纖傳感器中相關(guān)物理參數(shù)的變化會(huì)引起光纖內(nèi)散射光的可測(cè)量變化，與散射光的參考量進(jìn)行對(duì)比后可以推知在測(cè)量時(shí)的光纖物理狀態(tài)[10]。這個(gè)物理狀態(tài)特指作用在光纖上的溫度與應(yīng)變耦合作用效果。使用光頻域反射原理分析背向瑞利散射光時(shí)，將其作為光纖上與位置有關(guān)的函數(shù)[11]。光纖中瑞利散射的產(chǎn)生是由于光纖長(zhǎng)度方向上的折射率波動(dòng)所導(dǎo)致，當(dāng)測(cè)試光纖所處外部環(huán)境不變時(shí)，光纖內(nèi)部瑞利散射信號(hào)雖然是隨機(jī)的，但擁有靜態(tài)屬性，即基本保持不變[12]。當(dāng)光纖所處環(huán)境的應(yīng)變或溫度發(fā)生變化時(shí)，光纖局部會(huì)在空間上被拉伸或壓縮。局部瑞利散射的變化會(huì)導(dǎo)致局部反射光譜的光譜漂移。

由應(yīng)變?chǔ)呕驕囟萒響應(yīng)得到光譜漂移類似于共振波的漂移Δλ或布喇格光柵的光譜漂移Δυ[13]：

(1)

式中:λ和υ分別為平均光波長(zhǎng)和頻率；KT和Kε分別為溫度和應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)常數(shù)；ΔT為溫度變化量。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 懸臂梁彎曲試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)對(duì)象為膠接隔熱層泡沫的2024鋁合金試件，試件測(cè)試段尺寸為500 mm×40 mm×3 mm，絕熱層試片的尺寸為2個(gè)20 mm×10 mm×20 mm和2個(gè)20 mm×20 mm×20 mm，每個(gè)絕熱層試片的間距為30 mm。試件表面使用環(huán)氧AB膠粘接分布式光纖傳感器，使用美國(guó)Luna公司的ODiSI A50光纖解調(diào)儀對(duì)光纖傳感器進(jìn)行解調(diào)，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。圖1為膠接有隔熱層泡沫的試件示意圖。圖2為光纖解調(diào)儀系統(tǒng)。圖3為試驗(yàn)加載裝置示意圖。

圖2 光纖解調(diào)儀系統(tǒng)

圖3 試驗(yàn)加載裝置

圖1 分布式光纖傳感器與隔熱層泡沫試片粘貼示意圖

4個(gè)厚度相同的隔熱層泡沫試片中：

1) 1、2號(hào)試片投影面積均為400 mm2，且光纖在試片下方穿過投影面中心并在下邊緣處通過。

2) 3、4號(hào)試片的投影面積均為200 mm2，光纖在3號(hào)試片下方穿過投影面中心，分別在3、4號(hào)試片下邊緣處通過。試驗(yàn)過程如下：

a.試件受載前的狀態(tài)設(shè)為基準(zhǔn)。

b.在懸臂梁自由端懸掛200 g砝碼，待其穩(wěn)定后，測(cè)量此時(shí)分布式光纖傳感器的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

c.重復(fù)步驟b至砝碼總質(zhì)量達(dá)到800 g。

d.將4個(gè)隔熱層泡沫試片去除以模擬脫粘，并將試件受載前的狀態(tài)設(shè)為基準(zhǔn)。

e.重復(fù)步驟b至砝碼總質(zhì)量達(dá)到800 g。

2.1.2 結(jié)果分析

光纖測(cè)量段AB和CD在隔熱層泡沫去除前后的應(yīng)變差值如圖4所示。

圖4 脫粘前后分布式光纖測(cè)量段應(yīng)變數(shù)據(jù)的差值

圖4(a)可以識(shí)別的波峰中，40～60 mm和80～100 mm附近，以及135～145 mm和175～195 mm附近，均為隔熱層泡沫所在位置。圖4(b)可以識(shí)別的波峰中，30～50 mm和70～90 mm附近，均為隔熱層泡沫所在的位置。

從圖4中可看出：

1) 與標(biāo)距長(zhǎng)度為5 mm的測(cè)試數(shù)據(jù)相比，標(biāo)距長(zhǎng)度為10 mm的數(shù)據(jù)信噪比更好。

2) 從隔熱層泡沫試片正下方通過的光纖測(cè)量的應(yīng)變差值幅值更大，光纖易受到脫粘缺陷的影響。

3) 400 mm2的脫粘面積比200 mm2脫粘面積的應(yīng)變差值的影響范圍更大。

4) 應(yīng)變水平較高的區(qū)域，發(fā)生脫粘缺陷前后的應(yīng)變差值越大。

5) 在脫粘區(qū)域邊界，高密度應(yīng)變信號(hào)有幅值不等，但符號(hào)相反的振蕩現(xiàn)象。

2.2 懸臂板彎曲試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)方案

以膠接有隔熱層泡沫試片的鋁合金懸臂板結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)2.1節(jié)的結(jié)論在懸臂板彎曲試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。2024鋁合金懸臂板測(cè)試段尺寸為500 mm×500 mm×3 mm，隔熱層泡沫試片尺寸為100 mm×100 mm×20 mm。試件表面使用雙組分環(huán)氧膠布設(shè)分布式光纖傳感器。圖5為粘接有隔熱層泡沫試片和分布式光纖傳感器的試件示意圖，圖中陰影部分為模擬脫粘缺陷的泡沫去除區(qū)域。圖6為試驗(yàn)加載裝置，其中砝碼托盤質(zhì)量為140 g。試驗(yàn)過程如下：

1) 將試件受載前的狀態(tài)設(shè)為基準(zhǔn)。

2) 在懸臂板自由端3個(gè)掛點(diǎn)分別懸掛1 000 g砝碼，待其穩(wěn)定后，測(cè)量光纖傳感器的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

3) 重復(fù)步驟2)至各掛點(diǎn)砝碼質(zhì)量為3 140 g。

4) 將隔熱層泡沫試片去除以模擬脫粘，并將試件受載前的狀態(tài)設(shè)為基準(zhǔn)。

5) 重復(fù)步驟2)至各掛點(diǎn)砝碼質(zhì)量為3 140 g。

圖5 試驗(yàn)件示意圖

圖6 試驗(yàn)加載裝置

2.2.2 結(jié)果分析

光纖測(cè)量段AB和CD在隔熱層泡沫去除前后的應(yīng)變差值如圖7所示。

圖7 脫粘前后分布式光纖測(cè)量段應(yīng)變數(shù)據(jù)的差值

分布式光纖測(cè)量段AB和CD的應(yīng)變數(shù)據(jù)的差值曲線，均有3處可識(shí)別的波峰。通過與預(yù)先測(cè)量的脫粘缺陷位置進(jìn)行核對(duì)發(fā)現(xiàn)，這些波峰所在位置與脫粘缺陷位置吻合良好，且在脫粘缺陷邊界位置存在明顯的幅值不等，但符號(hào)相反的振蕩現(xiàn)象，進(jìn)一步驗(yàn)證了前述懸臂梁彎曲試驗(yàn)得出的結(jié)論。因此，采用較高標(biāo)距長(zhǎng)度進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量的分布式光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)，對(duì)其布設(shè)路徑上的脫粘缺陷具有較高信噪比的識(shí)別能力，且結(jié)構(gòu)應(yīng)變水平越高、脫粘面積越大，識(shí)別效果越好。

3 結(jié)論

本文針對(duì)隔熱層結(jié)構(gòu)脫粘缺陷的識(shí)別方法展開了研究，并利用具有高密度應(yīng)變測(cè)量能力的分布式光纖傳感器進(jìn)行了2組試驗(yàn)，分別對(duì)膠接隔熱層泡沫試片的承受彎曲載荷的懸臂梁和懸臂板進(jìn)行了原理性試驗(yàn)和驗(yàn)證試驗(yàn)。通過在懸臂梁彎曲試驗(yàn)中獲得的高密度應(yīng)變測(cè)試結(jié)果，得到以下結(jié)論：

1) 與標(biāo)距長(zhǎng)度為5 mm的測(cè)試數(shù)據(jù)相比，標(biāo)距長(zhǎng)度為10 mm的測(cè)試數(shù)據(jù)的信噪比更好。

2) 位于隔熱層泡沫試片下方的分布式光纖傳感器更易受到脫粘缺陷的影響。

3) 脫粘面積越小，應(yīng)變差值的幅值和影響范圍越小，檢測(cè)難度越大。

4) 應(yīng)變水平較高的區(qū)域，發(fā)生脫粘缺陷前、后的應(yīng)變差值較大。

5) 在脫粘區(qū)域邊界，高密度應(yīng)變信號(hào)有幅值不等但符號(hào)相反的振蕩現(xiàn)象。在懸臂板彎曲試驗(yàn)中，人為設(shè)置了不同形狀、不同尺寸且處于不同應(yīng)變水平下的脫粘缺陷，通過對(duì)脫粘前、后應(yīng)變差值曲線的綜合分析，驗(yàn)證了前述結(jié)論的有效性。綜上所述，分布式光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠以較高的信噪比識(shí)別布設(shè)路徑上的脫粘缺陷，識(shí)別效果與光纖測(cè)點(diǎn)標(biāo)距長(zhǎng)度、脫粘缺陷與光纖相對(duì)位置、脫粘面積、應(yīng)變水平等因素有關(guān)。